第一～三节　牛顿力学的成就与局限性　相对论时空观

第五章|牛顿力学的局限性与相对论初步

第一～三节牛顿力学的成就与局限性相对论时空观

宇宙起源和演化核心素养导学物理观念(1)了解伽利略相对性原理，了解牛顿的绝对时空观。(2)知道狭义相对论的两个基本原理的内容；知道狭义相对论关于时空相对性的主要结论。(3)关注宇宙的起源和演化的研究进程，了解什么是科学探究和科学思维。(4)初步了解宇宙中包含什么。科学思维(1)知道在可靠的实验事实基础上进行科学推理、合理假设等科学研究方法的重要性。(2)初步了解时间延缓效应和长度收缩效应的主要内容及推理的思维过程。科学态度与责任(1)通过学习，体会科学理论既具有相对稳定性，又是不断发展完善的。(2)通过学习，体会在科学研究中不放过丝毫疑惑、严谨认真的态度和责任。(3)了解人类对宇宙永不停息的探索历程，体会科学家进行科学探究的态度和责任。续表一、牛顿力学的成就与局限性1．绝对时空观2．牛顿力学的成就：牛顿力学把宇宙中的天体和地面上的物体的运动_________。3．牛顿力学的局限性和适用范围：牛顿力学只适用于________

(远小于光速)、_______

(人类可感知尺度)、弱引力场(如地球附近)和计量精度要求不高的情况，不适用于______、_______的情况。

统一起来低速宏观微观高速相同的相同弯曲(1)牛顿时空观在低速、宏观物体运动时是可以适用的。(2)相对论时空观适用于高速、微观物体的运动。

三、宇宙起源和演化1．古代宇宙模型(1)中国古代的“_______”；(2)古希腊亚里士多德和托勒密的“________”；(3)哥白尼提出的“_______”。盖天说地心说日心说2．近现代宇宙模型(1)爱因斯坦“________”宇宙模型；(2)费里德曼提出的_______________；(3)勒梅特伽莫夫提出的___________；(4)固斯提出的__________。有限无界动态宇宙模型大爆炸理论暴胀理论3．宇宙学的新进展(1)宇宙微波背景辐射；(2)暗物质和暗能量。,1.牛顿力学适用于地面上物体的运动及天体的运动，但不适用于高速运动的物体及微观粒子的运动。具有一定的局限性。请对以下结论作出判断：(1)火车提速后，有关速度问题不能用牛顿力学来处理。

()(2)宏观物体在低速运动时，相对论与经典力学的结论是一致的。

()(3)在牛顿力学的适用范围内，运动的时钟和静止的时钟快慢相同。

()(4)电子在原子核外的运动规律不能用牛顿力学来解释。

()×√√√2．如图，一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶，车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁，思考以下两个问题：(1)甲图中，车上的观察者观察到闪光是否同时到达前后两壁。(2)乙图中，车下的观察者观测到的结果是怎样的？提示：(1)车上的观察者以车厢为参考系，闪光同时到达前后两壁。(2)车下的观察者以地面为参考系，观察到闪光先到达后壁，后到达前壁。3．地球绕太阳公转的速度是3×104m/s。某实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999999999987倍光速的速度，光速c＝3×108m/s。请思考：(1)地球的公转速度在狭义相对论中属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的速度属于低速还是高速？(2)在地面上校准的两只钟，一只留在地面上，一只随宇宙飞船遨游太空(如图所示)。隔一段时间飞船返回地面时，两只钟显示的时间相同吗？有什么差别？提示：(1)地球公转速度属于低速，被加速器加速后的电子的速度属于高速。(2)不相同，随飞船旅行的时钟变慢(显示的时间短)。新知学习(一)|相对论时空观[重点释解]1．惯性系和非惯性系(1)牛顿运动定律能够成立的参考系为惯性系，相对于这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。(2)牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系。[典例体验][例1]

π＋介子是一种不稳定粒子，平均寿命是2.6×10－8s(在自己的参考系中测得)。(1)如果此粒子相对于实验室以0.8c的速度运动，那么在实验室坐标系中测量的π＋介子寿命多长？(2)π＋介子在衰变前运动了多长距离？[例2]

有一段长100km的直线铁路，假设铁路上空有一飞行器沿铁路方向以30km/s的速度掠过。求：(1)飞行器上的人看到铁路的长度应该为多少？(2)假设飞行器的速度达到0.6c，则飞行器的人看到的铁路的长度又是多少？/方法技巧/

(1)时间间隔、长度的变化，都是由于物质的相对运动引起的一种观测效应，它与所选取的参考系有关，物质本身的结构并没有变化。(2)两个事件的时间间隔和物体的长度，必须与所选取的参考系相联系，如果在没有选取参考系的情况下讨论时间的长短及空间的尺寸，是没有任何意义的。

[针对训练]1．1905年爱因斯坦提出了狭义相对论，狭义相对论的出发点是以两条基本假设为前提的，这两条基本假设是

(

)A．同时的绝对性与同时的相对性B．运动的时钟变慢与运动的尺子缩短C．时间间隔的绝对性与空间距离的绝对性D．相对性原理与光速不变原理解析：狭义相对论的两个基本假设是相对性原理和光速不变原理，故D正确。答案：D

2．A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在两个火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飞行，vB>vC。在地面上的人看来，关于时钟快慢的说法正确的是

(

)A．B钟最快，C钟最慢 B．A钟最快，C钟最慢C．C钟最快，B钟最慢

D．A钟最快，B钟最慢解析：根据狭义相对论的时间延缓效应可知，速度越大，钟走得越慢，选项D正确。答案：D

3．(多选)A、B两架飞机沿地面上一足球场的长轴方向在其上空高速飞过，且vA＞vB，对于在飞机上的人观察结果，下列说法正确的是

(

)A．A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的大B．A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的小C．两飞机上的人观察到足球场的长度相同D．两飞机上的人观察到足球场的宽度相同新知学习(二)|经典力学与量子力学的比较[任务驱动]粒子对撞机可以把质子加速到接近于光速，如图所示。经典力学是否适用于质子的运动规律？如何研究质子的运动规律？提示：不适用，经典力学只适用于宏观低速运动，描述微观高速粒子的运动要用到量子力学和相对论。

[重点释解]1．低速与高速的理解(1)低速：通常所见物体的运动，如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体皆为低速运动物体。(2)高速：有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速。2．牛顿力学与相对论、量子力学的比较

牛顿力学(经典力学)相对论、量子力学区别(1)牛顿力学适用于低速运动的物体(2)牛顿力学适用于宏观世界(3)牛顿力学在弱引力的情况下与实验结果符合得很好(1)相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律(2)量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律(3)相对论能够解释强引力情况下的作用规律联系(1)当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与牛顿物理学的结论没有区别(2)当另一个重要常数即普朗克常量可以忽略不计时，量子力学和牛顿力学的结论没有区别(3)相对论和量子力学并没有否定牛顿力学，牛顿力学是二者在一定条件下的特殊情形续表[针对训练]1．经典力学只适用于“宏观世界”，这里的“宏观世界”是指

(

)A．行星、恒星、星系等巨大的物质领域B．地球表面上的物质世界C．人眼能看到的物质世界D．不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界解析：前三个选项说的当然都属于“宏观世界”，但都很片面，没有全面描述，本题应选D。答案：D

2．(多选)关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法正确的是

(

)A．相对论和牛顿力学是相互对立、互不相容的两种理论B．在物体高速运动时，物体的运动规律适用相对论理论，在低速运动时，物

体的运动适用牛顿运动定律C．牛顿力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动D．不论是宏观物体，还是微观粒子，牛顿力学和量子力学都是适用的解析：首先必须知道，牛顿力学解决低速、宏观问题，高速运动和强引力作用问题应由相对论解决，微观问题应由量子力学解决。相对论并没有否定牛顿力学，而是认为牛顿力学是相对论理论在一定条件下的特殊情况，故选项A、D错误，B、C正确。答案：BC

3．关于经典时空观和相对论时空观，下列说法错误的是

(

)A．经典时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的B．相对论时空观认为时间和空间与物体及其运动有关系C．经典力学只适用于宏观、低速运动问题，不适用于微观、高速运动问题D．当物体的运动速度远小于光速时，相对论和经典力学的结论仍有很大的区别解析：经典时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的，而相对论时空观认为时间和空间与物体及其运动有关系，A、B正确；经典力学只适用于宏观、低速运动问题，不适用于微观、高速运动问题，C正确；当物体的运动速度远小于光速时，相对论和经典力学的结论没有区别，D错误。答案：D

一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养

科学思维——“动尺变短”的应用1．(选自鲁科版新教材课后练习)惯性参考系S中有一边长为l的正方形。从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图像可能是(

)

解析：由相对论知识可知，运动的飞行器上观测到正方形应该在运动方向上的边长变短，而在垂直于运动方向上的边长不变，故选项C正确。

答案：C

科学态度与责任——“中国天眼”与天文学家南仁东2．(选自鲁科版新教材“科学书屋”)被誉为“中国天眼”的射电望远镜(FivehundredmetersApertureSphericalRadioTelescope，FAST)由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、接收机与终端及观测基地等几大部分构成。从1994年提出构想到2016年落成启用，历时22年，是我国具有自主知识产权，世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。目前“中国天眼”已发现若干脉冲星，人们期待其有进一步的天文发现。“中国天眼”的首席科学家兼总工程师南仁东(1945—2017)，为选择最佳台址，带着300多幅卫星遥感图，跋涉在中国西南的大山里，先后对比了1000多个洼地。工程建设中，他克服了技术、资金等重重困难，为工程的顺利完成作出了卓越的贡献。他用人生最后的22年，精益求精、坚毅执着地实现了一个梦想，用生命铸就了世人瞩目的“中国天眼”。二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值1．(2023·广东1月学考)地面上的观察者测得真空中的光速为v1，在匀速直线运动的列车内，观察者测得真空中的光速为v2，根据狭义相对论，下列判断正确的是(

)A．v1>v2

B．v1<v2C．v1＝v2

D．无法确定解析：根据狭义相对论光速不变原理，光在真空中总是以确定的速度传播，速度的大小同光源的运动状态无关，在真空中的各个方向上，光信号传播速度的大小均相同，光速同光源的运动状态和观察者所处的惯性系无关，可知v1＝v2。故选C。答案：C

2．(2022·江苏常熟高一期中)科学家曾宣布探测到引力波的存在。引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”，相对论在一定范围内弥补了经典力学的局限性。关于经典力学，下列说法正确的是

(

)A．经典力学完全适用于宏观低速运动B．经典力学取得了巨大成就，是普遍适用的C．随着物理学的发展，经典力学将逐渐成为过时的理论D．由于相对论、量子论的提